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　　1、原子团簇的稳定结构和幻数原子团簇的稳定结构和幻数 -引言引言 Page 2 目录目录 幻数幻数 Mackay 二十面体二十面体 氦氦 团团 簇簇 幻 数 n 原子中的电子状态和原子核中的核子状态,具有幻数特征(即壳层结构) 。它是与对称性和相互作用势密切相关的。由原子构成的团簇具有类 似的特征,在质谱分析中,含有某些特殊原子数目的团簇,其强度呈现峰 值,表明这些团簇特别稳定,所含的原子数目称之为“幻数”。 n 团簇的幻数序列与构成团簇的原子键合方式有关。一般地说,金属键 来源于自由价电子,半导体有取向共价键,碱金属卤化物为离子键,而惰 性元素原子间的结合是范德瓦尔斯键。 幻幻 数数 n Pag

　　2、e 4 幻幻 数数 n 在正常温度T T0 时,团簇内粒子的位置序占主导地位。这也是大多 数惰性元素原子构成团簇所具备的特征。另一方面,由于电子质量轻( me10 - 27克) ,简并温度可高达T0104 K。因而以电子系统行为占主 导因素的团簇就会反映动量序或波序的特征,明显地表现出量子力学 效应。 n 两类不同序(位置序和动量序) 的特征在团簇的壳层结构和幻数序列上 表明出来。 Page 5 幻幻 数数 n 图1 给出XeN 簇的质谱,其质量丰度 随团簇尺寸逐渐下降,但在 N = 13 、19 、25 、55 、71 、87和147 等处出现显著增强,然后突然下降, 表明含有这些原子数目的

　　3、团簇特别稳定。 称之为“幻数”,它与原子按壳层堆积的 方式(原子位置) 有关。 Page 6 幻幻 数数 n 图2 是绝热超声膨胀法产生 金属钠团簇的质谱。 其中N = 8 、20 、40 、58 和92等 处出现峰值,而比它们多1 个原子的 团簇质量丰度则大大减弱, 故视之为NaN 的幻数。 Page 7 Mackay 二十面体二十面体 n Ne（氖 ）、Ar（氩） 、Kr （氪）和Xe（氙） 等惰性元素原子构成 的团簇,位置序起主导作用。它们的幻数比较接近,但不同的实验结果 存在差异。 n 图1 是Echt 等人用超声喷注加冷凝的方法使惰性元素Xe 产生中性原 子簇,然后用30 eV 的脉

　　4、冲电子束轰击电离后进行质谱分析得到的。 n 图2 是尺寸范围在N = 10 和N = 90 间的Ar 团簇质谱 。虽然这个谱存 在更精细的结构,但其中N = 13 、19 、23 、55 、71 、81 和87 等峰 值与图1 中的XeN 团簇相同。 Page 8 Mackay 二十面体二十面体 n 根据Harris 的半定量模型可假定质谱分布所出现的结构是在喷射使团 簇长大停止后的蒸发过程中形成的。用n ( N, E) 来描述热团簇的分布 ,即单位体积中总能量在E E + d E 范围内含有N 个原子的团簇( N- 原子团簇) 的数目。 Page 9 Mackay 二十面体二十面体 n 采用

　　7、e+N 的 峰值是在N = 7 、10 、14 、21 和30 处。虽然在图4 (a) 的计算中已 得到N = 7 和10 的两个幻数,但谱中其它峰值与计算结果相差较大,尤 其是不存在满足二十面体N = 13 等的幻数。 Page 13 氦氦 团团 簇簇 Page 14 氦氦 团团 簇簇 n 两方面原因: n 一是电离过程可能引起团簇碎裂,使图7 的质谱不能反映中性团簇的强 度分布; n 二是氦团簇不满足位置序的特征 Page 15 氦氦 团团 簇簇 n 采用离子漂移管质谱技术可研究不经电离过程的4He 团簇离子的尺寸 分布,其基本工作部件是一个经液氦冷却的离子漂移管,注入He+ 离子 在漂移

　　8、管中同氦原子碰撞并块速冷却,在电场E作用下漂移到管端出口 处,再将射出的离子聚焦并进行四极质谱分析。 n 图8 给出三种不同气压下实验观察He+N 消失漂移场强随尺寸的变化。 He+3 的消失漂移场强非常高,以致超出测量范围,说明三体非常稳定。 Page 16 氦氦 团团 簇簇 Page 17 氦氦 团团 簇簇 n 在图8 中, N = 10 和N = 11 之间有一个下降台阶(对所有气压) ,气压为 0106 Torr 时, N = 14 和15 之间也有一个台阶,表明N = 10 和14 是 He+N 的幻数,与超声喷束的图7 结果一致,说明电离过程并未对结果有 决定性的影响。目前在实验上

　　9、未观察到N = 10 和14的He+N 结构计算 结果,可以推测He+10和He+14是由处在中心位置的He+2 分子及围绕四 周的8 和12 个原子分别构成封闭壳层的立方体和二十面体。 Page 18 氦氦 团团 簇簇 n 另一方面,He 原子的团簇是否呈现波序(动量序) 的特征? 由于氦原子 轻、相互作用力弱, T03 K,因而在低温下氦团簇的结构应具有波序 特征。已经有两种方法对4He N 团簇的基态进行了量子力学计算:对 尺寸范围在3 N 112 采用格林函数Monte-Carlo 法( GFMC) ;对4 N 728 的团簇采用变分Monte Carlo (VMC) 法。原则上说,GFMC 法除 了统计误差外可达任意精确程度,VMC 法利用变分函数可以考虑二体 或三体修正。两者均采用Hart ree-Fock 原子间相互作用势。 Page 19 谢谢关注谢谢关注 Page 20

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